quá trình keo tụ tạo bông

Keo tụ - tạo bông là một quy trình trong xử lý nước cấp và nước thải, quy trình này sử dụng hoá chất để tách các chất ô nhiễm trong nước thành bùn và sau đó lắng xuống.Trong một số trườn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HỒ CHÍ MINHKHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC & KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Tiểu luận môn: Công nghệ xử lý nước cấp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC & KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Tiểu luận môn: Công nghệ xử lý nước cấp

Đề tài:

KEO TỤ TẠO BÔNG

NHÓM 6 GVHD: NGUYỄN ĐỨC ĐẠT ĐỨC

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2016

Muïc luïc

1 Giới thiệu chung 6

1.1 Khái niệm keo tụ tạo bông 6

1.2 Mục đích 6

1.3 Phân loại hạt keo 6

1.3.1 Cấu tạo 6

1.3.2 Phân loại 7

1.4 Nguyên lý keo tụ tạo bông 8

1.4.1 Phản ứng tạo bông 8

1.4.2 Cơ chế 8

1.4.2.1 Cơ chế trung hòa điện tích 10

1.4.2.2 Cơ chế tạo cầu nối 10

1.4.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ 11

2 Phương pháp keo tụ tạo bông 12

2.1 Hệ ngược dấu 12

2.2 Các phương pháp keo tụ tạo bông 13

2.2.1 Phương pháp keo tụ dùng chất điện ly đơn giản 13

2.2.2 Keo tụ bằng hệ keo ngược dấu 14

2.2.3 Keo tụ tăng cường quá trình keo tụ bằng các hợp chất cao phân tử 15

3 Các yếu tố ảnh hưởng 16

3.1 pH 16

3.2 Lượng dùng chất keo tụ 16

3.3 Nhiệt độ của nước 16

3.4 Tốc độ khuấy 16

3.5 Tạp chất trong nước 16

3.6 Môi chất tiếp xúc 17

4 Xác định liều lượng phèn gần đúng 17

5 Động lực của quá trình trộn 20

5.1 Trộn thủy lực 21

5.2 Khuấy trộn bằng máy bơm 21

5.3 Trộn trong ống dẫn 21

5.4 Bể trộn vách ngăn 22

5.5 Bể trộn đứng 22

5.6 Trộn cơ khí 23

5.7 Trộn bằng tia áp lực 24

6 Tài liệu tham khảo 25

1. Giới thiệu chung

1.1 Khái niệm keo tụ tạo bông

Keo tụ: là sự phá vỡ tính bền vững của các hạt keo bằng cách đưa thêm một chấtphản ứng gọi là chất keo tụ

Tạo bông: là sự kết dính các hạt “ đã phá vỡ độ bền” thành các cục bông nhỏ, sau

đó thành cụm to hơn và lắng được Quá trình này có thể cải thiện được bằng cách thêmvào chất phản ứng gọi là tác nhân kết bông hay chất phụ gia kết bông

Keo tụ - tạo bông là một quy trình trong xử lý nước cấp và nước thải, quy trình này

sử dụng hoá chất để tách các chất ô nhiễm trong nước thành bùn và sau đó lắng xuống.Trong một số trường hợp trong nước có chứa nhiều: chất rắn lơ lửng các hạt keo,chất hữu cơ, tảo, vi khuẩn, vi sinh vật thì cần đến quá trình xử lý có keo tụ tạo bông.Quá trình keo tụ tạo bông là công nghệ loại bỏ các chất ô nhiễm nhờ qúa trình làmgiảm điện tích Zeta trên bề mặt hạt keo trong nước Các hoá chất thường dùng trong keo

tụ tạo bông là các ionlim loại hoá trị III như Aluminium chloride, Ferrous chloride, PAC

là được dùng rộng rãi hơn cả vì hiệu suất cao và dễ lưu trữ, sử dụng

1.3 Phân loại hạt keo

1.3.1 Cấu tạo

- Các hạt có thể mang:

• Điện tích âm( chiếm đa số:như cặn gốc silic, các tạp chất hữu cơ…)

• Điện tích dương( hydroxyt sắt, hydroxyt nhôm)

- Các hạt keo âm hút các cation đến gần bề mặt để trung hòa điện tích, phân bố thành

2 lớp:

- Tập hợp 2 lớp trên gọi là lớp kép, thế điện động xuất hiện giữa 2 lớp gọi là thế zeta

- Lớp thứ 2: dày hơn là hỗn hợp của các ion( hầu hết cation), lien kết lỏng lẻo gọi làlớp khuếch tán

- Lớp thứ nhất: rất mỏng mang điện tích (+) và liên kết chặt chẽ với hạt keo gọi là lớpStern

1.3.2 Phân loại

Theo thành phần cấu tạo người ta chia ra 2 loại keo:

- Keo kỵ nước: hạt keo không kết hợp với các phân tử nước của môi trường để tạo ra

vỏ bọc hydrat, các hạt keo riêng biệt mang điện tích lớn, và khi điện tích này được trunghòa thì độ bền của hạt keo bị phá vở Quá trình keo tụ hệ keo kỵ nước thường là khôngthuận nghịch, quá trình diển ra tới khi keo tụ hoàn toàn các chất keo tụ Là loại chống lạicác phân tử nước như vàng, bạc, silit

- Keo háo nước: Có khả năng kết hợp với các phân tử nước tạo thành vỏ bọc hydrat,các hạt keo riêng biệt mang điện tích bé và dưới tác dụng của các chất điện phân không

bị keo tụ Các hạt cặn làm bẩn nước thiên nhiên chủ yếu tạo ra hệ keo kị nước gồm cáchạt mang điện tích âm còn các hạt keo kỵ nước tạo ra do sản phẩm thủy phân phèn nhôm,phèn sắt mang điện tích dương

∗ Đặc tính của hạt keo :

- Khả năng lắng rất chậm (chuyển động Browm gây cản trở quá trình lắng do trọnglực)

- Đặt tính bề mặt (điện thế ,ái lực…) là yếu tố quan trọng

- Có xu hướng kết hợp với các chất môi trường xung quanh (tỉ lệ diện tích bề mặt khốilượng cao hơn)

- Có xu hướng tang điện tích

Hầu hết chất keo tụ ở dạng Fe(III), Al(III), Al2(SO4)3.14H2O, FeCl3 Tuy nhiên trongthực tế người ta thường sử dụng phèn sắt hơn do chúng có ưu điểm nhiều hơn phènnhôm Trong quá trình keo tụ người ta còn sử dụng chất trơ keo tụ để tang tính chất lắngnhanh và đặc chắc do đó sẽ hình thành bông lắng nhanh và đặc chắc như set, silicat hoạttính và polymer

1.4 Nguyên lý keo tụ - tạo bông

+ Tiếp xúc do quá trình chuyển động của lưu chất được thực hiện bằng cách khuấytrộn để tạo thành những bông cặn có kích thước lớn hơn

+ Tiếp xúc do quá trình lắng của các hạt

1.4.2 Cơ chế

Trong quá trình lắng cơ học chỉ tách được các hạt rắn huyền phù có kích thước lớn,còn các hạt nhỏ hơn ở dạng keo không thể lắng được Ta có thể tang kích cỡ các hạt nhờtác dụng tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết vào các tập hợp hạt để có thể lắng được.Muốn vậy, trước hết cần trung hòa điện tích của chúng, thứ đến là liên kết chúng lại vớinhau

Xử lý bằng phương pháp keo tụ là cho vào trong nước một loại hóa chất gọi là chấtkeo tụ có thể đủ làm cho những hạt rất nhỏ biến thành những hạt lớn lắng xuống Thôngthường quá trình keo tụ tạo bông xảy ra qua 2 giai đoạn

- Bản thân chất keo tụ phát sinh thủy phân, quá trình hình thành dung dịch keo vàngưng tụ

- Trung hòa hấp phụ lọc các tạp chất trong nước

Kết quả của quá trình trên là hình thành các hạt lớn lắng xuống

Những hạt rắn lơ lửng mang điện tích âm trong nước ( keo sét, protein…) sẽ hút cácion dương tạo ra 2 lớp điện tích dương bên trong và bên ngoài Lớp ion dương bên ngoàiliên kết lỏng lẻo nên có thể dễ dàng bị lọt ra Như vậy điện tích âm của hạt bị giảmxuống Thế điện động hay thế zeta cũng bị giảm xuống

Mục tiêu đề ra là giảm thế zeta, tức là giảm chiều cao của hang rào năng lượng đếngiá trị giới hạn, sao cho các hạt rắn không đẩy lẫn nhau bằng cách cho thêm vào các ion

có điện tích dương để phá vỡ sự ổn định của trạng thái keo của các hạt nhờ trung hòađiện tích Khả năng dính kết tạo bông keo tụ tăng lên thì điện tích của hạt giảm xuống vàkeo tụ tốt nhất khi điện tích của hạt bằng không.Chính vì vậy lực tác dụng lẫn nhau giữacác hạt mang điện tích khác nhau giữ vai trò chủ yếu trong keo tụ Lực hút keo tụ tangnhanh khi giảm khoảng cách giữa các hạt bằng cách tạo nên những chuyển động khácnhau được tạo ra do quá trình khuấy trộn

Cơ chế của quá trình keo tụ là làm mất đi sự ổn định của dung dịch keo có trong nướcbằng các biện pháp:

-Nén lớp điện tích kép được hình thành giữa pha rắn và pha lỏng: giảm điện thế bềmặt hấp phụ và trung hòa điện tích

-Hình thành cầu nối giữa các hạt keo

-Bắt giữ các hạt keo và bông cặn

1.4.2.1 Cơ chế trung hòa điện tích

- Hấp phụ các ion hay phân tử mang điện tích trái dấu với điện tích của hạt keo Liềulượng chất keo tụ tối ưu cho vào sao cho điện thế zeta bằng 0 mV

- Giảm thế năng bề mặt tức là giảm thế zeta khi đó sự đẩy tĩnh điện các hạt keo giảmxuống và có khả năng kết nối lại nhờ lực tương tác tĩnh điện, khi đó hệ keo mất tính ổnđịnh

- Tăng hàm lượng chất keo tụ, nếu lượng chất keo tụ cho vào quá nhiều sẽ gây ra hiệntượng keo tụ quét bông Quá trình này làm tăng hiệu quả keo tụ lên, hệ keo cũng bị mất

ổn định

1.4.2.2 Cơ chế tạo cầu nối

Để tăng cường quá trình keo tụ tạo bông người ta cho vào thêm vào các hợp chấtpolymer trợ keo tụ Các polymer này tạo sự dính kết giữa các hạt keo lại với nhau nếupolymer này và các hạt keo trái dấu nhau

Cơ chế tạo cầu nối xảy ra ở 5 phản ứng:

- Phản ứng 1:hấp phụ ban đầu ở liều polymer tối ưu, phân từ polymer sẽ kết dính vàocác hạt keo

- Phản ứng 2: hình thành bông cặn Đuôi polymer đã hấp phụ có thể duổi ra gắn kết vịtrí trống trên bề mặt hạt keo khác dẫn đến việc hình thành bông cặn

- Phản ứng 3: hấp phụ lần 2 của polymer Nếu đoạn cuối cùng duổi ra và không tiếpxúc với vị trí trống trên hạt khác thì polymer sẽ gấp lại và tiếp xúc với mặt khác củachính hạt đó Nguyên nhân gây ra là do khuếch tán chậm hay độ đục hoặc mật độ hạtkeo trong nước thấp

- Phản ứng 4: khi liều lượng polymer dư làm cho bề mặt hạt keo bảo hòa các đoạnpolymer điều này làm cho không còn vị trí trống để hình thành cầu nối đưa đến hệ keo sẽ

ổn định lại

- Phản ứng 5: vỡ bông cặn Khi xáo trộn quá lâu hoặc quá nhanh làm cho các bông cặn

bị phá vỡ và trở về trạng thái ổn định ban đầu

1.4.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ

Quá trình keo tụ phụ thuộc vào hai cơ chế chính là trung hòa điện tích và hấp phụ tạocầu nối Vì thế các yếu tố nào ảnh hưởng đến hai quá trình trên đều ảnh hưởng đến quátrình keo tụ tạo bông:

2. Phương pháp keo tụ - tạo bông

2.1 Hệ keo ngược dấu

Để thực hiện quá trình keo tụ, người ta cho vào nước các chất phản ứng thích hợp:phèn nhôm Al2(SO4)3; phèn sắt FeSO4 hoặc FeCl3 Các loại này đưa vào nước dưới dạngdung dịch hoà tan, phân li thành các cation và anion theo phản ứng sau:

Al2(SO4)3  2Al3+ +3SO4

2-FeCl3  Fe3+ + 3Cl

-Nhờ hoá trị cao của các ion kim loại, chúng có khả năng ngậm nước tạo thành cácchất Al(H2O)63+, Fe(H2O)63+ Tuỳ thuộc vào điều kiện môi trường mà chúng có khả năngtồn tại ở các điều kiện khác nhau Ví dụ với nhôm, các phức chất này tồn tại ở 3 < pH <4,với sắt 1 <pH <3

Khi tăng độ pH, các phản ứng đối với phèn nhôm xảy ra như sau:

Al(H2O)63+ +H2O Al(H20)5(OH)2++H3O+

Tăng axit: Al(H2O)5OH2+ + H2O Al(H2O)4(OH)2+ + H3O+

Tăng kiềm: Al(H2O)4(OH)2+ + H2O Al(H2O)4+ + 3H2O + H3O+

Al(OH)3 + Các phản ứng dừng lại ở trạng thái hydroxyt Al(OH)3 hoặc hydroxyt Fe(OH)3 kết tủa

OHAl(OH)4-và lắng xuống khi độ pH ≥ 5 đối với sắt, OHAl(OH)4-và pH ≥ 6 đối với nhôm Quá trình tạo thành

Al(OH)4+ hoặc Fe(OH)4+ chỉ xảy ra khi độ pH ≥ 7,5 đối với nhôm và pH≥10 đối vớisắt.

Tất cả các sản phẩm tạo thành trong phạm vi từ 3 < pH <6 hoặc các hydroxytnhôm,sắt đều mang điện tích dương mạnh, có khả năng kết hợp với các hạt keo tự nhiênmang điện tích âm để tạo thành bông cặn Các ion kim loại tự do khi phân li phèn nhôm,sắt còn kết hợp với nước qua phản ứng thuỷ phân cũng tạo thành các hydroxyt:

Al3+ +3H2O  Al(OH)3 +3H+

Fe3+ + 3H2O Fe(OH)3 + 3H+

Trong các phản ứng trên, ngoài Al(OH)3 là nhân tố quyết định đến hiệu quả keo tụđược tạo thành, còn giải phóng ra các ion H+ mà sẽ được khử bằng độ kiềm tự nhiên củanước ( HCl3-) Trường hợp độ kiềm tự nhiên thấp, không đủ để trung hoà ion H+, thì cầnphải kiềm hoá nước Chất dùng để kiềm hoá thông dụng nhất là vôi (CaO), soda (NaCO3)hoặc xút (NaOH)

Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến quá trình keo tụ nước, nhiệt độ tối ưu đối với phènnhôm là 20-40°C Ngoài ra còn một số yếu tố khác cũng gây ảnh hưởng tới quá trình keo

tụ như: các thành phần ion có trong nước, các hợp chất hữu cơ, lưu lượng phèn, điều kiệnxáo trộn

Các loại phèn nhôm, phèn sắt thường sử dụng trong quá trình keo tụ gồm: nhôm sunfat Al2(SO4)3.14H2O, nhôm clorua AlCl3.6H2O, nhôm poluclorua

[Al(OH)1.5(SO4)0.125Cl1.25]n , sắt (II) sunfat FeSO4.7H2O, sắt clorua FeCl3, sunfat sắt nhôm AlFe(SO4)3.nH2O , sunfat clo sắt FeClSO4, FeCl3.Fe(SO4)3

• So sánh phèn sắt và phèn nhôm:

-Độ hòa tan Fe(OH)3 < Al(OH)3

-Tỉ trọng Fe(OH)3 = 1.5 Al(OH)3

-Trọng lượng đối với Fe(OH)3=2.4; Al(OH)3=3.6

-Keo sắt vẫn lắng khi nước có ít huyền phù

- Liều lượng phèn sắt(III) dùng để kết tủa chỉ bằng 1/3 – 1/2 liều lượng phèn nhôm

-Phèn sắt ăn mòn đường ống

-Muối nhôm ít độc hơn so với muối sắt và sẵn trên thị trường

- Công nghệ keo tụ bằng phèn nhôm là công nghệ tương đối đơn giản, dễ kiểm soát, phổ biến rộng rãi

-Phèn nhôm làm giảm đáng kể độ pH, phải dùng NaOH để hiệu chỉnh lại độ pH dẫn đến chi phí sản xuất tăng

-Phèn nhôm phải dùng thêm một số phụ gia trợ keo tụ và trợ lắng

-Phèn sắt ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ và giới hạn pH rộng.

2.2 Các phương pháp keo tụ tạo bông

• Quá trình keo tụ bằng các chất điện ly đơn giản được xem như một cơ chế keo tụtối ưu vì nó giải thích qua sự nén điện tích trong lớp khuếch tán vào lớp điện tíchkép để phá vỡ trạng thái ổn định của hệ keo trong nước

• Keo tụ dùng các chất điện ly đơn giản đòi hỏi liều lượng chất điện ly cho vàonước thải phải thật chính xác

• Phương pháp keo tụ dùng chất điện ly đơn giản rất ít khi hầu như không được sửdụng

 Trong quá trình này người ta sử dụng muối nhôm hoặc sắt hóa trị 3, còn gọi là phènnhôm hoặc phèn sắt làm chất keo tụ

 Các muối này được đưa vào nước dưới dạng dung dịch hòa tan, trong dung dịchchúng phân ly thành các cation và anion theo phản ứng sau :

Al2(SO4)3 2Al3+ + 3SO4

 Quá trình tạo thành Me(OH)4- chỉ xảy ra khi pH ≥ 7,5 đối với nhôm và pH ≥ 10 đốivới sắt

 Quan sát quá trình keo tụ dùng phèn nhôm và sắt thấy có khả năng tạo ra các loạibông cặn như sau :

Tổ hợp các hạt keo tự nhiên bị phá vỡ thế điện động zeta, loại này chiếm số ít

Các hạt keo mang điện tích trái dấu nên kết hợp với nhau trung hòa về điện tích vìvậy số lượng cũng không đáng kể

Các hạt keo đươc hình thành do thủy phân chất keo tụ với các anion có trong nướcnên bông cặn có hoạt tính bê mặt cao, có khả năng hấp thụ các chất bẩn trong khi lắng,tạo thành các bông cặn lớn hơn.Loại này được quan tâm nhiều nhất

Các loại phèn nhôm, sắt thường được sử dụng: nhôm sunfat Al2(SO4)3.14H2O; nhômclorua AlCl3.6H2O : nhôm policlorua [Al(OH)1.5(SO4)0.125Cl1.25]n ; aluminat NaAlO2…

Quá trình này đươc sử dụng các chất cao phân tử tan trong nước, chúng có cấu tạomạch dài, với phân tử lượng từ 103- 107 g/mol và đường kính phân tử trong dung dịchvào khoảng 0.1-1µm

Chúng giúp quá trình keo tụ xảy ra nhanh hơn và tạo ra các bông keo có kich thướclớn hơn để có thể tách ra khỏi nước một cách dễ dàng

Dựa vào hóa trị, chia làm 3 loại:

- loại anion

- cation

- loại không ion

Dựa cấu tạo hóa học, phân tử lượng và độ tích điện của chúng

Các chất cao phân tử được dùng là N-dimetylamino propylmethacrylat ( trùng hợp từacrylamit ); polynatriacrylat ( sản phẩm trùng hợp của acrylamit )

Các polime cấu tạo mạch dài, phân tử lượng cao khi phân ly trong nước chúng keo tụthành các hạt bẩn trong nươc dưới dạng liên kết chuỗi

Lượng polyme thường dùng tối đa đến 0,5mg/l

Tuy nhiên, các loại polyme này có nhược điểm là không bảo quản được lâu, đặc biệtkhi hòa tan trong nước, công nghệ sản xuất tốn kém, giá thành cao

3. Các yếu tố ảnh hưởng

3.1 pH

Trị số pH của nước có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình keo tụ Trị số pH trong nướcquá cao hay quá thấp đều làm cho Al(OH)3 hòa tan, làm tăng hàm lượng nhôm dư trongnước, pH<5,5 Al(OH)3 có tác dụng như một chất kiềm làm tăng hàm lượng Al3+ trongnước

Al(OH)3 + 3H+ Al3+ + 3H2OKhi pH > 7,5, Al(OH)3 đóng vai trò như một axit làm cho gốc AlO2-

Nên vậy, đối với phèn nhôm thì độ pH= 6-6,5 là tối ưu

3.2 Lượng dùng chất keo tụ

Quá trình keo tụ không phải là một loại phản ứng hóa học bình thường nên cần phải

có thực nghiệm cụ thể để tìm lượng phèn tối ưu cho xử lý nước thải

Thường lượng phèn cần thiết nằm trong khoảng 0,1 – 0,5 mgđl/l Nếu dùngAl(OH)3.18H20 thì liều lượng 10 – 50mg/l

Lượng huyền phù càng nhiều thì lượng chất keo tụ càng lớn

3.3 Nhiệt độ của nước:

Ảnh hưởng của nước tới quá trình keo tụ không lớn khi dùng muối sắt

Nếu dùng phèn nhôm sunfat thì nhiệt độ tốt nhất từ 25 – 300C

3.4 Tốc độ khuấy:

Quan hệ tốc độ khuấy của hỗn hợp nước và chất keo tụ đến tính phận bổ đồng đềucủa chất keo tụ và cơ hội va chạm giữa các hạt keo cũng là một yếu tố quan trọng ảnhhưởng đến quá trình keo tụ

Tốc độ khuấy tốt nhất là chuyển từ nhanh sang chậm Lúc đầu ta khuấy nhanh nhằmkhuếch tán nhanh chất keo tụ đến các nơi trong nước kịp thời tác dung với các tạp chấttrong nước Sau khi hỗn hợp hình thành bông phèn và lớn lên ta nên khuấy chậm lại đểtránh làm vỡ vụn các bông phèn đã hình thành

3.5 Tạp chất trong nước.

Các ion ngược dấu ảnh hưởng đến quá trình keo tụ, sẽ làm tăng khả năng keo tụ trongnước Nhưng vì ảnh hưởng đó rất phức tạp nên hiện nay người ta vẫn chưa nắm chắcđược quy luật của nó

Bên cạnh đó cũng có những tạp chất ngăn cản quá trình keo tụ, ảnh hưởng đến quátrình xử lý nước thải như khi trong nước chứa một lượng lớn chất hữu cơ cao phân tử